HPD EDOC

1 EINLEITUNG
1.1
Die Pneumonie
Die Pneumonie ist weltweit die dritthäufigste Todesursache und die häufigste
Todesursache durch Infektionskrankheiten in den Industrieländern. Sie hat hier eine
Inzidenz von etwa 1 %
[1]. In den Entwicklungsländern sterben pro Jahr etwa 2
Millionen Kinder an einer Lungenentzündung [2].
Patienten mit ambulant erworbener Pneumonie werden überwiegend auch ambulant
behandelt. Dabei liegt die Mortalität in Industrieländern in der Regel unter 1 % [3].
Jedoch
kam
es
z.B.
2004
in
Deutschland
auch
zu
238.659
Krankenhauseinweisungen wegen Pneumonie. Das sind deutlich mehr als etwa für
Myokardinfarkte (132.501) oder Schlaganfälle (161.758) (Statistisches Bundesamt).
Bei den Patienten, die stationär behandelt werden müssen, steigt die Mortalität auf
über 12 % an [1]. Dabei wird die Letalität wesentlich durch Komorbiditäten, wie die
chronisch obstruktive Lungenerkrankung oder sonstige Risikofaktoren, wie ein hohes
Alter, mitbestimmt [3].
Die nosokomial erworbene Pneumonie macht 15 % aller Krankenhausinfektionen aus
[4]. Ihre Mortalität liegt signifikant höher, etwa bei 30 %, wobei nur in einem Teil der
Fälle die Pneumonie tatsächlich die Todesursache ist [5]. Dabei stellt eine künstliche
Beatmung einen Risikofaktor für besonders schwere Verläufe einer nosokomialen
Pneumonie mit hoher Mortalität dar [4]. Die Ventilator-assoziierte Pneumonie tritt bei
bis zu 47 % aller Beatmungspatienten auf und verlängert die Liegedauer der
Patienten deutlich. Die Mortalität bei dieser Pneumonieform ist bei Patienten nach
kardiochirurgischen Eingriffen am höchsten [6].
Ambulant und nosokomial erworbene Pneumonien stellen eine bedeutende
Belastung der öffentlichen Gesundheitssysteme dar [7]. Allein die ambulant
erworbene Pneumonie führt in den USA zu jährlich 10 Millionen Arztkontakten, 64
Millionen Krankheitstagen und 600.000 Krankenhausaufnahmen und verursacht
damit Kosten in Höhe von 20 Milliarden US$ pro Jahr [8].
Diese Probleme werden in der Zukunft durch neu auftretende Antibiotikaresistenzen
typischer Pneumonieerreger einerseits und eine zunehmende Zahl durch Alter,
Komorbidität oder Medikamente immunkompromittierter Patienten andererseits noch
5
verstärkt
[1]. In Deutschland sind mehr als 30 % der ambulant erworbenen
Pneumonien durch S. pneumoniae bedingt (Abb. 1, www.capnetz.de 2006).
Abb. 1: Erregernachweis in qualitativ hochwertigen Sputa von Patienten mit
ambulant erworbener Pneumonie in der Capnetz-Studie (www.capnetz.de 2006)
1.2
Mikrobiologie von S. pneumoniae
Pneumokokken sind lanzettförmige grampositive α-hämolysierende Streptokokken,
die als Diplokokken (in der Gramfärbung des Sputums) oder in Ketten (Abb. 2,
Morphologie
während
der
Vermehrung
im
flüssigen
Wachstumsmedium)
vorkommen. Sie wurden 1881 von G. Sternberg (USA) und L. Pasteur (Frankreich)
gleichzeitig entdeckt.
Abb. 2 Kettenbildende S. pneumoniae mit
einer Größe von 0,5 - 1,25 µm.
http://genome.microbio.uab.edu/strep/info/stre
p5.gif
6
Die klassische Identifizierung der Pneumokokken erfolgt anhand der α-Hämolyse auf
Blutagar-Platten, Fehlen von Katalase und Hemmung ihres Wachstums durch
Optochin und Galle. Sie verfügen in der Regel über eine Kapsel, eine Zellwand aus
Peptidoglykan und Teichonsäure (C- Substanz) und an der Bakterienoberfläche
exprimierte Proteine (PsaA, PspA, CbpA), von denen viele an der Pathogenität
beteiligt sind.
Alle klinisch relevanten Stämme besitzen eine Kapsel, werfen diese aber bei enger
Interaktion mit Epithelzellen und einer Invasion in diese ab [9]. Optisch sehen die
bekapselten Kolonien glänzend glatt aus (S-Form aus dem englischen smooth). Die
unbekapselten haben eine raue Oberfläche (R-Form aus dem englischen rough). Die
Kapsel besteht aus Polysacchariden, die im Zytoplasma als Oligosaccharide
synthetisiert, polymerisiert und an der Oberfläche durch kovalente Bindungen in der
Zellwand verankert werden. Durch die unterschiedlichen Antigeneigenschaften der
Polysaccharide werden die Pneumokokken in der Reihenfolge ihrer Entdeckung in
die
Serotypen
1
bis
90
aufgeteilt
(amerikanische
Einteilung)
oder
nach
Antigenähnlichkeit in 21 Serogruppen (dänischen Einteilung), die 2-5 verwandte
Serotypen enthalten, eingeteilt. Die Serogruppe 19 beinhaltet zum Beispiel die Typen
19F, 19A, 19B und 19C, wobei F zuerst beschrieben wurde. In diesen Serogruppen
befinden sich 65 der insgesamt 90 Serotypen, die restlichen 25 werden einzeln
geführt.
Verschiedenen Proteine werden als Pathogenitätsfaktoren beschrieben, u.a.
Hyaluronsäure, Neuraminidase A und B [10], cholinbindendes Protein A [11],
Pneumokokken-Oberflächenantigen A [12], Pneumokokken-Oberflächenprotein A
[13] auf der Zellwand und Pneumolysin [14] im Zytoplasma.
Pneumolysin, ein 53 kDa großes Protein, kommt in allen klinisch relevanten
Pneumokokkenstämmen vor und gehört zu der Gruppe der thiolaktivierten
Zytolysinen, die überwiegend von grampositiven Bakterien gebildet werden. Es wird
aus
dem Zytoplasma nach Autolyse der Pneumokokken durch die Autolysine
freigesetzt [15], evtl. auch aktiv sezerniert [16].
1.3
Pneumokokken als Infektionserreger
Infektionen durch S. pneumoniae sind weltweit eine häufige Ursache für Morbidität
und Mortalität [7]: Pneumonien (s. Abb. 3), febrile Bakteriämien und Meningitiden
7
sind die häufigsten schweren Manifestationen einer Pneumokokkeninfektion,
während Mittelohrinfektionen oder obere Atemwegsinfekte noch häufiger, aber nicht
so schwerwiegend sind [1]. Allein in den USA treten jährlich 7 Millionen Fälle von S.
pneumoniae-bedingter Otitis media und 500.000 Pneumonien auf [17]. Obwohl alle
Altersgruppen betroffen sind, treten die Infektionen am häufigsten bei Kindern oder
älteren Menschen auf. Darüber hinaus sind Menschen mit chronischen Erkrankungen
oder Immundefizienzen besonders gefährdet
[3]. Mit ca. 1 Millionen jährlichen
Todesfälle durch Atemwegsinfektionen bei Kindern sind Pneumokokken auch die
wichtigsten frühkindlichen Krankheitserreger in Entwicklungsländern [1].
Abb. 3: Verlauf einer schweren ambulant erworbenen Lobärpneumonie durch S.
pneumoniae.
Röntgen-Thorax-Aufnahmen
an
Tag
1,
2
und
5
des
Krankenhausaufenthaltes unter Behandlung mit Moxifloxacin.
In Europa und den USA beträgt die Morbidität der Pneumokokkenpneumonie etwa
100 von 100.000 Erwachsenen, während sie für febrile Bakteriämien mit 15-19 und
für Meningitis mit 1-2 angegeben wird
[17]. Auch in diesen wirtschaftlich
hochentwickelten Ländern ist die Mortalität invasiver Pneumokokkeninfektionen
hoch.
In
der
präantibiotischen
Pneumokokkenbakteriämie
fast
Ära
80
betrug
%
[18].
die
Für
Mortalität
Erwachsene
einer
mit
Pneumokokkenpneumonie beträgt sie heute 10-20 %, in Risikogruppen über 50 %.
Damit ist die Pneumonie die mit Abstand häufigste Ursache für Bakteriämie und Tod
durch Pneumokokkeninfektionen [1].
Wichtige unabhängige Risikofaktoren bei Erwachsenen sind neben der Asplenie der
aktive
oder
passive
Nikotinkonsum,
Alkoholismus,
sowie
Herz-
und
8
Lungenerkrankungen. Auch HIV -infizierte Patienten haben ein 10- bis 100fach
erhöhtes Risiko für eine Pneumokokkenpneumonie und -bakteriämie [19, 20].
Durch Unterschiede in der Zusammensetzung der Polysaccharidkapsel werden etwa
90 Serotypen unterschieden [17]. Aktuelle Daten implizieren dass die 11 häufigsten
Serotypen weltweit für mindestens 75 % der invasiven Erkrankungen verantwortlich
sind [21]. Während zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Serotypen 1, 2 und 3 über
75% der schweren Pneumokokkeninfektionen verursachten, sind heute in den
Industrieländern die Serotypen 1, 3, 4, 6A/B und 14 für etwa 40 % der invasiven
Infektionen bei Erwachsenen verantwortlich [1]. Bei Kindern kommen v.a. die
Serotypen 6, 14, 18, 19 und 23 vor [22]. Eine Ursache für den Wechsel der
vorherrschenden Serotypen mag der Infektionsweg sein: Früher überwogen
epidemische Ausbrüche hochimmunogener Serotypen in suszeptiplen Populationen,
während der heute wichtigere Infektionsweg über Kleinkinder mit Trägerstatus die
weniger immunogenen Stämme bevorzugt [23]. Interessant ist hier, dass die Impfung
von Kleinkindern auch die Häufigkeit invasiver Pneumokokkeninfektionen bei
ungeimpften Erwachsenen reduziert [24]. Doch auch heute kann noch eine starke
lokale Dynamik beobachtet werden: So ging Anfang der 90er Jahre eine deutliche
Zunahme invasiver Infektionen in Schweden mit einem 10fachen Anstieg der Serotyp
1-Isolate einher [25].
Die Übertragung der Pneumokokken erfolgt überwiegend durch direkten Kontakt mit
dem Nasensekret Erkrankter oder gesunder Träger. Etwa 50 % der Kleinkinder
sollen besiedelt sein [26]. Während es in der Regel nach einer solchen
Pneumokokkenexposition nur zur einer transienten Besiedlung kommt, kann bei für
den jeweiligen Serotyp empfindlichen Individuen eine Ausbreitung in die Sinus und
das Mittelohr oder gar eine Penetration der Mukosa mit nachfolgender Bakteriämie
erfolgen.
Da Immunität nur über serotypspezifische Antikörper vermittelt wird, steht für
Erwachsene ein 23valenter Polysaccharidimpfstoff zur Verfügung, der 90 % aller
invasiven Stämme abdeckt. In immunkompetenten Erwachsenen soll die Effektivität
50-80 % betragen [1], während sie bei immunkompromittierten Patienten, z.B. nach
HIV-Infektionen, deutlich niedriger liegt. Für die Impfung von Kleinkindern ist ein
proteingekoppelter Impfstoff notwendig
[27]. Hier ist es allerdings bisher nicht
gelungen, mehr als 11 der bekannten 90 Serotypen abzudecken; der aktuell
verwendete Impfstoff ist heptavalent. Dies birgt das Risiko, durch Selektionsdruck
9
einen Serotypwechsel herbeizuführen. Eine vermehrte Besiedelung mit nicht
abgedeckten Serotypen wurde bereits beobachtet [28]. Zudem sind Pneumokokken
natürlich transformierbar [29] und wechseln so offenbar nicht selten ihre
Kapseleigenschaften [30].
Ein zentrales Problem der Therapie sind die zunehmenden Resistenzen gegen
pneumokokkenwirksame Antibiotika wie Penicilline, Cephalosporine, Fluorchinolone
und Makrolide. Sogar gegen Vancomycin wurde eine Toleranz beobachtet [31]. In
den 1970er Jahren wurden einzelne penicillinresistente Isolate aus Südafrika und
Spanien beschrieben. Heute sind weltweit 20-30 % der Pneumokokken gegen 3 oder
mehr Antibiotika resistent [31]. In Spanien sind etwa 50 % der S. pneumoniae-Isolate
penicillinresistent, in Hongkong 69 % [31]. Dabei konnten sich einzelne resistente
Klone weltweit pandemisch ausbreiten. Ein vor 20 Jahren in Spanien prävalenter
multiresistenter Serotyp 23F-Klon trägt so heute wesentlich zur weltweiten
Betalactamresistenz bei und wird durch natürliche Transformation auch mit den
Kapseltypen 3, 9N, 14, 19 A und 19F gefunden [32]. In den USA sind die häufigsten
resistenten Klone France9V -3, England 14-9, Spain23F-1, Spain6B-2, und Tennessee23F4. Auch die Resistenzgene anderer Streptokokken können auf S. pneumoniae
übertragen werden [31].
Obwohl weltweit Behandlungsversagen berichtet werden, ist die klinische Bedeutung
der Resistenzen aufgrund von Überlagerungseffekten der verschiedenen Bakterienund
Wirtsfaktoren
bis
heute
schwer
einzuschätzen.
Bei
schweren
Pneumokokkeninfektionen wird jedoch in vielen Leitlinien eine Kombinationstherapie
von Betalactamen, Makroliden und ggf. Vancomycin empfohlen [31].
1.4
Pulmonale Immunität
Die Lunge steht mit einer sehr großen Oberfläche (200 m2) in Kontakt mit unserer
Umwelt - Gase, Aerosole und Partikel verschiedenster Größe, die Allergene, Noxen
und mikrobielle Pathogene darstellen können und sorgsam durch die angeborene
und erworbene Immunität kontrolliert werden müssen [33]. Zugleich weist sie eine
sehr grazile mikroskopische Struktur mit engster Nachbarschaft von unterschiedlich
differenzierten
Epithelzellen,
Fibroblasten,
Endothelzellen,
ortständigen
Makrophagen und einwandernden Granulozyten, Monozyten und Lymphozyten auf
10
(Abb. 4), deren Intaktheit essentiell für die Funktion des Gasaustausches ist und
bewahrt werden muss [34].
Abb. 4: Die angeborene Infektabwehr in der Lunge (aus [33])
Die Erkennung von eindringenden Mikroorganismen und die Mediatorfreisetzung
durch Parenchymzellen sind zentrale Ereignisse der initialen Immunantwort [33, 3537]. Um die Abwehr des Wirts jedoch voll zu aktivieren, muss es zur Freisetzung
spezifischer Zytokinmuster kommen [33]. Dazu werden nach der Pathogenerkennung
frühe Zytokine freigesetzt, die das Signal amplifizieren und weitere Zellen in die
Immunantwort einbinden [37]. Speziell die Rekrutierung und Extravasation von
Leukozyten an dem Ort der Infektion ist eine wichtige Funktion chemotaktischer
Botenstoffe und von zentraler Bedeutung für die Eindämmung der bakteriellen
Invasion. CXC-, CC-, C- und CX3C-Zytokine gehören zu eng verwandten
Polypeptidfamilien und sind potente chemotaktische Faktoren für alle Leukozyten,
z.B. IL -8 für Neutrophile und MCP-1 für Makrophagen [38]. Weiter hat die
Beobachtung, dass T-Helferzellpopulationen nach den von ihnen produzierten
Zytokinen klassifiziert werden können, zu einer weiteren Unterteilung der – auch von
11
Parenchymzellen produzierten - Zytokine nach ihrer Funktion im Übergang von der
angeborenen zur adaptiven Immunantwort geführt
[38]: TH1-Zytokine aktivieren
Makrophagen und Neutrophile Granulozyten und fördern die Aktivität professioneller
Phagozyten und der zellgebundenen Immunität. Im Gegensatz dazu hemmen TH2Zytokine viele Funktionen der zellgebundenen Abwehrreaktion und fördern die
humorale Immunantwort und die Antikörperproduktion [39]. Die Freisetzung von
Chemokinen und die Expression von Chemokinrezeptoren sowohl durch Parenchymals auch durch klassische Immunzellen in der Lunge implizieren eine zentrale Rolle
der Botenstoffe in der Orchestrierung der pulmonalen Immunantwort [37]. Die
Balance dieser Zytokingruppen moduliert den Verlauf der Wirtsantwort auf eine
Infektion.
1.5
Lungenepithel
Das Atemwegs- und Lungenepithel bildet die Grenze zwischen der Umwelt und dem
Wirtsorganismus und stellt damit auch die erste Verteidigungslinie der angebornen
Immunität dar [34]. Es dient nicht nur als mechanische Barriere, sondern ist auch zur
Früherkennung
von
Atemwegserregern
und
Initiierung
einer
Immunantwort
prädisponiert (Abb. 4) [33].
Das mehrreihige oder mehrschichtige tracheobronchiale Epithel besteht aus
zilientragenden Zellen, sekretorischen Becherzellen und Zellen mit Mikrovilli und
konstituiert so die mukoziliäre Clearence. Die Bronchiolen werden von kuboidalem
Epithel und sekretorischen Clarazellen ausgekleidet, während das Alveolarepithel
aus Typ I- und Typ II-Zelle n besteht.
Etwa 95 % der internen Lungenoberfläche besteht aus alveolären Typ I-Zellen. Sie
sind über ihre Basalmembran mit Endothelzellen der Alveolarkapillaren verbunden
und bilden zusammen mit diesen die Gasaustauschbarriere.
Alveoläre Typ II-Zellen erfüllen eine Vielzahl an Funktionen, etwa die Steuerung des
pulmonalen Surfactant-Systems [40] und des alveolären Flüssigkeitsgehalts [41].
Außerdem ersetzen sie die Typ I-Zellen [42].
Obwohl hierzu systematische Untersuchungen fehlen, ist anzunehmen, dass die
verschiedenen differenzierten Lungenepithelzellen unterschiedlich und zelltypisch auf
verschiedene Atemwegskeime reagieren. Dazu mögen Unterschiede im Besatz mit
Pathogenerkennungsrezeptoren,
das
Repertoire
an
antibakteriellen
oder
12
chemotaktischen Mediatoren [34, 43] sowie ihre Empfindlichkeit gegen bakterielle
Virulenzfaktoren beitragen [44].
Obwohl Pneumokokken als wichtigste Pneumonieerreger in direktem Kontakt mit
tracheobronchialem
und
alveolären
Epithel
stehen,
sind
die
molekularen
Mechanismen und funktionellen Konsequenzen dieser Interaktion bisher nicht
untersucht worden.
In
Anbetracht
der
enormen
weltweiten
Morbidität
und
Mortalität
der
Pneumokokkenpneumonie und der zunehmenden Zahl von Antibiotikaresistenzen
bei S. pneumoniae erscheint eine detaillierte Untersuchung der Interaktion zwischen
Pneumokokken und dem Lungenepithel notwendig. Sie kann als Basis für neue
rationale Therapiestrategien dienen.
1.6
Signalwege der Immunreaktion
Mikroorganismen präsentieren an ihrer Oberfläche molekulare Muster, die sie von
anderen Pathogenen und vom Wirt unterscheiden [45]. Auf der Seite des Wirts gibt
es phylogenetisch konservierte Rezeptoren zur Erkennung und Unterscheidung
dieser Muster, etwa die transmembranär auf der Zelloberfläche oder in Organellen
lokalisierten „Toll-like“-Rezeptoren [36, 46] oder zytosolische Caterpillar-Rezeptoren,
wie Nod1 und Nod2 [47, 48]. TLR2 erkennt z. B. Oberflächenmuster von
grampositiven Bakterien, TLR4 erkennt u.a. das Lipopolysaccharid gramnegativer
Keime und TLR3, 7, 8 und 9 erkennen Nukleinsäuren [45].
Die Reaktion der Wirtszelle auf die Pathogenerkennung wird aus der Aktivierung von
Signalkaskaden, z.B. von Kinasen zur schnellen Signalweiterleitung in der Zelle, und
verschiedenen Transkriptionsfaktoren integriert [35, 49]. Diese Signalwege bestehen
in der Regel aus drei bis vier sich hierarchisch durch gegenseitige Phosphorylierung
aktivierenden Kinasen, die nach ihrem jeweils zentralen Mitglied unterschieden
werden: u.a. p38-, p42/44-, JNK und ERK5 Mitogen-aktivierte Proteinkinasen [50].
Ein zentraler proinflammatorischer Transkriptionsfaktor ist der nukleäre Faktor κB
(NF-κB), der sowohl über seine zytosolische oder nukleäre Lokalisation als auch
über posttranslationelle Modifikationen reguliert wird [51]: Der prototypische Inhibitor
IκBα sequestriert die Transkriptionsfaktorkomplexe, Homo- oder Heterodimere aus
p65/RelA, p50, RelB, cRel u.a., im Zytosol. Erst seine Phosporylierung durch den
IκB-Kinasen-Komplex,
seine
subsequente
Ubiquitinierung
und
proteosomale
13
Degradierung ermöglicht die Freisetzung der NF-κB-Komplexe, ihre Translokation in
den Nukleus und Bindung an die DNA. Hier kann er jedoch nur an seine
Koaktivatoren binden und die Transkriptionsmaschinerie rekrutieren, wenn er an
distinkten Aminosäuren phosphoryliert (z.B. S276, S486, S536) oder azetyliert wurde
[52].
Ein
weiterer
wichtiger
inflammatorischer
Transkriptionsfaktor
ist
das
Aktivatorprotein (AP) 1, das sich u.a. aus Dimeren von cJun, JunB, Fos, Fra1 und
Fra2 zusammensetzt, die zum Teil für ihre Aktivierung auch phosphoryliert werden
müssen [53].
14